王曉晶，王丙軍

（安陽工學院機械工程學院，河南 安陽 455000）

1 引言

電動輪車輛在重型短距離裝載運輸?shù)牡V山應用普遍，尤其是露天礦山開采等應用越來越普遍。受制于機械傳動設備加工尺寸和精度，尤其是超大型齒輪傳動，在向大噸位發(fā)展的過程中，礦山運輸車輛越來越多的采用電動輪自卸式車輛，其突破了傳統(tǒng)扭矩傳輸和液力機構的限制[1]。此類傳動實現(xiàn)能量從機械能到電能再到機械能的傳遞方式，通過線路替代原有的機械傳遞形式，加工更加方便，可以設計更大運輸噸位的載重車輛，實現(xiàn)更高效的運輸。

國內外學者對電傳動控制進行一定研究：文獻[2]對比不同算法對控制系統(tǒng)響應速度的影響；文獻[3]基于CAN 總線技術對控制系統(tǒng)進行設計，提高了控制效率和控制精度；文獻[4]應用交流傳動互饋試驗測試系統(tǒng)對電傳動系統(tǒng)進行設計；文獻[5]基于CAN 總線技術對直流傳動控制系統(tǒng)進行對比分析。

基于電傳動車輛的結構特點和功能需求，對電傳動控制系統(tǒng)進行設計；利用更加有效的控制策略解決多年使用中碰見的問題，以期實現(xiàn)高效安全的控制和有效的運行；并且利用人性化的圖形界面實現(xiàn)顯示和故障診斷系統(tǒng)的智能化，以方便車輛駕駛和管理。

2 控制系統(tǒng)設計

電傳動結構簡圖，如圖1 所示，整個系統(tǒng)經過機械能-電能-機械能的兩次能量轉化[6]，提高了傳遞效率。

圖1 電傳動結構簡圖Fig.1 Electric Drive Structure Diagram

2.1 控制系統(tǒng)結構

牽引時，柴油機驅動主發(fā)電機，發(fā)出兩組三相交流電，經整流單元UZ1 整流后，在接觸器KM1 獲電的條件下，送到串接的牽引電動機M1，實現(xiàn)汽車牽引。牽引原理圖，如圖2 所示。

圖2 牽引電路原理圖Fig.2 Traction Circuit Diagram

在系統(tǒng)的主回路里面，整流單元和電動機的電樞繞組以及電動機的勵磁繞組串聯(lián)在一起，保證了主電路的電流的大小一致。在實際中電動機的勵磁繞組是反向串聯(lián)，所以這樣就保證了兩個電動機一個是順時針的轉矩，另外一個是逆時針的轉矩，這樣就保證了電動機的前進方向是一致的[7]。換向電路、磁場削弱電路、保護電路、勵磁和輔助電路，如圖3 所示。

牽引電動機M1在后橋殼里安裝（為使車輪旋轉方向一致，兩組牽引電動機的勵磁繞組相反串聯(lián)）。牽引電動機是串勵直流電動機，通過接觸器 KM4、KM5的閉合，KM6、KM7的斷開，或相反的控制來改變串勵繞組的電流方向以實現(xiàn)汽車的換向，換向原理圖，如圖3（a）所示。需要制動時，踩電制動踏板，KM1 斷開，制動電阻接入，實現(xiàn)電制動。在電制動過程中，根據(jù)不同的階段有不同的控制策略，續(xù)流二極管VD1 為制動過程（能耗制動階段）提供續(xù)流回路，在電動機制動過程中起著關鍵作用[8]。當磁場削弱晶閘管VS6、VS7、VS8 閘管電路并聯(lián)，通過分流實現(xiàn)磁場削弱，通過RS2 可以測量出弱磁電流的大小。導通時，牽引電動機勵磁繞組與晶而晶閘管的開度就代表了弱磁深度。磁場削弱電路，如圖3（b）所示。

防輪滑保護電路包括晶閘管VS4、VS5，當車輛打滑不嚴重時，控制器空制扣功，如果輪滑嚴重，判定牽引電機1 或2 打滑，對應控制器控制晶閘管VS4 或VS5 打開，部分制動電阻接入回路來限制電流[6]。防輪滑保護電路的原理圖，如圖3（c）所示。

圖3 部分電路原理圖Fig.3 Part of the Circuit Diagram

本發(fā)電機應用的是自勵方式，當脫扣開關閉合后，控制KMB、KM9 閉合，蓄電池電壓給發(fā)電機勵磁線圈（F1～F2）初始勵磁，如圖3（d）所示。（1～2）s 后，發(fā)電機三次諧波繞組（S1～S2）發(fā)出單相交流電后，通過VD4、VD5、VS1、VS2 構成的半控整流橋開始工作，建立自勵磁，給勵磁線圈供電。

2.2 串勵直流電動機

串勵直流電動機的接線圖，如圖4 所示。它的勵磁繞組和電樞回路串聯(lián)。

串勵直流電動機的氣隙磁通隨電樞電流Ia而變化，這是它的主要特點。

圖4 串勵直流電動機的接線示意圖Fig.4 Series Excitation DC Motor Wiring Diagram

當電機的磁路不飽和時，串勵電動機的電磁轉矩為：

聯(lián)合以上各式，得到：

2.2.1 串勵直流電動機的起動

（1）降壓起動

起動瞬間，通過調整電樞電壓，可使得電壓降低至U=（1.5～2.0）INRa，隨 n 增加，Ea增大，而 Ia則降低，在此過程中，U 不斷增加，Ia保持在（1.5～2）IN，至電壓達到額定值 UN，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，整個過程結束。

（2）電樞回路串電阻起動

若使得電壓不變而限制電流的值，可通過在回路中增加電阻的方式，則：

在線路中增加電阻，系統(tǒng)的啟動過程時間較長，達到穩(wěn)態(tài)時，轉速較低，增加經濟負擔，因此，系統(tǒng)中采用的是降壓啟動。

2.2.2 串勵直流電動機的調速

式中：β—比例系數(shù)，這樣串勵直流電動機的特性方程變成：

則，電氣調速方法有改變端電壓U，改變If和Ia的比值β，以及電樞回路串聯(lián)電阻調速等方法，在本系統(tǒng)中采用的是改變端電壓U，改變比值β 兩種調速方式[9]：

（1）改變端電壓調速

降低電樞外加電壓的數(shù)值，導致轉速下降。因為系統(tǒng)中的電動機的供電有同步發(fā)電機供給，這樣就為改變電動機的端電壓U提供了條件，在發(fā)動機的轉速一定的時候，可以通過調節(jié)同步發(fā)電機的勵磁來改變端電壓的大小，在勵磁電路一定的時候（晶閘管的導通角一定時），可以通過改變油門踏板的位置來改變同步轉速以改變端電壓[10]。接線原理圖，如圖5 所示?？梢钥闯?，當前面介紹的同步電壓改變的時候，兩個整流單元UZ1 和UZ2 的整流輸出電壓就相應發(fā)生變化。改變端電壓調速人為特性曲線，如圖6（a）所示。

圖5 串勵直流電動機的接線圖Fig.5 Series Excitation DC Motor wiring Diagram

圖6 串勵直流電動機改變勵磁電流人為特性曲線Fig.6 String Excitation DC Motor to Change the Excitation Current Artificial Characteristics

（2）改變 β 調速

改變β 調速，既弱磁調速，就是改變通入電動機的勵磁回路中的電流來改變電動機的轉速的調速方法。減少串勵直流電動機的勵磁電流If，使勵磁電流和電樞回路的電流大小不相等。在圖7中，可以看到，當需要進行弱磁調速的時候，只要控制對應的晶閘管VS6、VS7、VS8 導通，電樞回路的電流就可以經過一個回路進行分流達到弱磁的目的，這樣的調速方式和降壓調速可以配合使用，降壓調速的時候，實際速度小于固有速度[11]。弱磁調速時，β<1，使得轉速可以提高（如圖7 中4、5 曲線，1 為固有特性曲線），在弱磁的時候靈活控制可以得到理想的轉速。如果在電樞回路串聯(lián)一個分流的回路，即在β>1 的時候，轉速的調節(jié)是下降的（如圖7 中2、3 曲線，1 為固有特性曲線）。系統(tǒng)中使用的弱磁調速是在牽引階段，提高電動機的轉速時使用的。改變β 的時候的人為特性曲線，如圖6（b）所示。

2.2.3 串勵直流電動機制動

圖7 能耗制動特性曲線Fig.7 Energy Braking Characteristics

串勵直流電動機在能耗制動時，電動機發(fā)出功率，做發(fā)電機工作，工作點，如圖7 所示。圖7 中的曲線1、2、3 為不同轉速n1、n2、n3時串勵發(fā)電機的外特性，直線4 是制動電阻R 的特性。從圖中可以看出，轉速越高，制動轉矩越大，當轉速低于n1時，即失去制動效力，能耗制動失效[12]。因此能耗制動必須要和機械制動以及其他形式的制動結合使用才能滿足停車制動的要求。

反接制動時，由于端電壓Ua不變，Φ 的方向相反，Ia方向不變，則：

可知，轉矩T 反向，產生制動轉矩。

由式（3）可知，轉速 n<0。

可知，Ea<0，電磁功率PM=EaIa，可見PM<0，表示電樞吸收了機械功率，這是由整個機組轉動部分的動能轉化而來的功率。

又P1=UaIa>O，表示從電源吸收功率，可見，反接制動時，從電源吸收的電功率以及機組的動能對應的機械功率轉化成的電磁功率，都以損耗的形式消耗在電樞回路和制動電阻中，功率平衡方程：

另外，可以知道在反接制動時，當轉速下降到零時，轉矩不為零，這時，應該把電機從電源上斷開，否則電機將反向啟動，就是倒拉反轉[13]。

3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)原理框圖，如圖8 所示。根據(jù)設計需要，該控制系統(tǒng)由一個現(xiàn)場控制器（包括一個主控制器和一個從控制器），若干個發(fā)電機勵磁控制器、制動控制器、逆變控制器，若干個帶有LIN總線的輔助電氣控制器組成。（1）主控制器：控制動力回路，與發(fā)動機、從控制器通信；（2）從控制器：主要控制輔助電氣系統(tǒng)，與主控制器通信；（3）發(fā)電機勵磁控制器、逆變控制器、制動控制器；（4）輔助電氣控制器：控制雨刷、前后大燈、車門、空調、室內燈組等。

圖8 系統(tǒng)原理框圖Fig.8 System Block Diagram

3.1 主控制系統(tǒng)設計

主控制器需要采集的數(shù)據(jù)有：（6～8）個模擬量輸入：加速踏板位置，制動踏板位置，限速旋鈕位置，母線電壓，母線低端對地電壓，母線高端對地電壓等；（10～12）個開關量輸入：鑰匙門（ACC-/ON/ST），換擋手柄（D/N/R），舉升操作手柄（上/下/停/浮動）等；（6～8）個開關量輸出：駐車制動電磁閥，發(fā)動機ECU 電磁閥，啟動電機電磁閥，發(fā)動機風扇電磁閥，鑰匙門（ACC/ON/ST）等；4 個CAN總線接口。原理圖，如圖9（a）所示。

工作原理：主控制器是整車控制的核心，是總線網(wǎng)絡上最關鍵的主節(jié)點。它負責采集關系到整車正常運行的各項重要參數(shù)，接收發(fā)動機ECU 的廣播數(shù)據(jù)，從控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，發(fā)電機勵磁、逆變、制動的各項參數(shù)，綜合判斷車輛的行駛工況，并經過邏輯判斷發(fā)送指令，控制整車的正常運行。

圖9 控制器原理圖Fig.9 Controller Schematic

3.2 從控制器設計

從控制器需要采集的數(shù)據(jù)有：

（6～8）個模擬量輸入：燃油油位，水溫，機油溫度，機油壓力，氣壓，若干液壓閥等；（14～16）個開關量輸入：屏幕手柄移動（上/下/左/右），屏幕手柄功能（確定/返回），故障指示檢測，故障確認開關、遠近光燈、左右轉向、汽笛、霧燈等；（6～8）個開關量輸出：故障指示燈，故障蜂鳴器等；（1～2）個 CAN 總線接口，一個 LIN 總線接口（具有CAN，LIN 網(wǎng)關的功能）。

液壓控制器：如果車輛中的液壓閥較多，還可在系統(tǒng)中專設一個液壓控制器，負責控制整車的液壓系統(tǒng)。從控制器原理圖，如圖9（b）所示。

工作原理：從控制器是整車電氣控制的核心，是總線網(wǎng)絡上的次要節(jié)點。它負責采集車輛的電氣參數(shù)，接受主控制器的命令，并向主控制器反饋車輛的電氣參數(shù)，幫助主控制器對整車工況正確把握。

3.3 發(fā)電機勵磁控制器

發(fā)電機勵磁控制器需要采集的數(shù)據(jù)有：采集（3～s）個模擬量輸入：功率元件當前溫度，當前勵磁整流電壓，當前勵磁線圈電流，發(fā)電機定子當前溫度等；I 個模擬量輸出：勵磁線圈電壓（電流）；（3～s）個開關量：待定（如報警燈）；（1～2）個CAN 總線接口。

工作原理：發(fā)電機勵磁控制器采集功率元件當前溫度，當前勵磁整流電壓，當前勵磁線圈電流，發(fā)電機定子當前溫度等等模擬量，打包發(fā)送到主控制器，主控制器返回勵磁線圈的目標電壓、電流，在發(fā)電機勵磁控制器中經過邏輯運算，由DSP 微處理單元輸出合適占空比的PWM 信號，驅動IGBT 工作，使控制器輸出合適的勵磁線圈電壓。發(fā)電機勵磁控制器原理，如圖10 所示。

圖10 發(fā)電機勵磁控制器原理圖Fig.10 Generator Excitation Controller Schematic

4 實驗平臺驗證

在實驗系統(tǒng)中，考慮到車體龐大，輸入輸出的電氣信號的分布比較分散，采用分布式的系統(tǒng)結構進行優(yōu)化設計[14]。主控制器模擬采集駕駛室里面的加速踏板信號，制動踏板信號等車輛行駛相關的信號，以及經過高壓信號采集板采集回來的高電壓信號，并且通過CAN2 與從控制器、顯示屏相互通信；從控制器負責顯示屏的操縱手柄等信號的采集和處理；其他控制單元模擬動力回路上的勵磁、逆變、制動等控制單元，采集若干模擬量和開關量仿真發(fā)電機勵磁、逆變、制動的相關參數(shù)，并且通過CANS 與主控制器通信；CAN4 是冗余接口，充當CANS 的熱備份接口。實驗平臺的系統(tǒng)結構圖，如圖11 所示。

圖11 實驗平臺系統(tǒng)結構圖Fig.11 Experimental Platform System Structure

4.1 主回路試驗分析

主控制器，主要參數(shù)介紹如下：

CPU：2 個 16 位處理器

網(wǎng)關：J1939 協(xié)議（發(fā)動機參數(shù)存取）和CANopen 轉換

數(shù)據(jù)存儲空間 EEPROM：1×2kbyte，100 萬次擦寫能力

總線接口：4×CAN，125-1000kbps

程序下載：串口，125kbps

編程環(huán)境：PROSYD，c，c++，

AI 口：8 個（電壓 4 個，電流 4 個）

DI 口：12 個

AO 口：1 個

DO/PWM 口：8 個

串口：2 個

采集點的選擇，如圖12 所示。試驗臺及主回路測試模塊，如圖13 所示。

圖12 采集點選擇Fig.12 Collection Point of Choice

圖13 主回路測試Fig.13 Main Loop Test

UZ1、UZ2、URB1、URB2、UM1、UM2、UK1、UK2 等實驗結果，如表1 所示。

表1 各測點輸出參數(shù)Tab.1 Each Measuring Point Output Parameters

由表可知，模塊的采集偏差控制在1%以內，試驗過程中，系統(tǒng)達到額定轉速時，輸出電壓為1350V，參考系統(tǒng)個回路影響，則測試結果是準確可靠的。整個過程可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)啟動后，輸出電壓值比較小，發(fā)電機的勵磁循環(huán)增加，系統(tǒng)電壓達到穩(wěn)定值時，循環(huán)才會結束。系統(tǒng)的漏電保護功能主要依靠UK1、UK2 之間的關系，同時根據(jù)二者之間的差值，可以快速查找漏電點，簡潔高效。

4.2 輔助回路試驗分析

根據(jù)輔助回路分析，搭建模擬試驗臺，包括操作桿、按鍵、指示燈、儀表等[15]，如圖14 所示。CAN 總線通訊信號波形，如圖15所示。測試過程中，采用示波器獲取CAN 總線通訊信號波形，分別為單幀和一段時間內的波形。測試時，系統(tǒng)可順暢完成各部分輔助功能設計，結合波形圖可知，傳遞信號流暢，可以準確高效的對輔助裝置進行控制，而且具有良好的抗干擾能力。顯示屏能夠很好的實現(xiàn)能的顯示和輸出。

圖14 試驗臺實物圖Fig.14 Test Bench Physical Map

圖15 CAN 總線通訊信號波形Fig.15 CAN Bus Communication Signal Waveform

5 結論

雙控制器和顯示器組成的控制系統(tǒng)，以CAN 總線進行各部分通信，采用模擬試驗對系統(tǒng)進行測試，包括主電路和高電壓采集試驗，輔助回路試驗，結果可知：（1）所設計的系統(tǒng)在主輔控制回路都可高效快速實現(xiàn)既定功能，整個系統(tǒng)簡潔高效且實時性強；（2）CAN 總線通信過程中，系統(tǒng)信號流暢，使得整個系統(tǒng)結構簡化，效率提高；（3）系統(tǒng)達到了設計目標，各部分功能實現(xiàn)良好，漏電保護電路使得系統(tǒng)更加安全，且更便捷的尋找漏電節(jié)點，各模塊達到預期效果。